一种柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统的制作方法

本发明属于激光显示投影领域，尤其涉及一种柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统，采用运动式衍射光学器件进行激光散斑抑制的衍射光学器件实现系统。

背景技术：

激光投影显示系统因其所具备的色彩丰富、画面质量高、寿命长、可靠性高、功效高、能耗低等优点，受到越来越广泛的关注和欢迎。然而由于激光是高相干光，不可避免地会产生一种称为激光散斑的画面噪声。散斑表现为随机分布在激光光斑中的黑色斑点，其实质为信号的随机相干叠加，散斑的存在严重影响图像和信息的质量。在激光投影显示领域，散斑会使投影显示的画面质量下降，导致观看者产生疲倦和头晕眼花等症状，严重影响激光投影仪使用者的体验，成为制约激光投影显示系统和仪器发展的核心因素。因此，研发激光散斑抑制技术和器件十分必要。

已有技术中对激光散斑抑制所采用的最常用的方法，是使用运动的衍射光学器件。多年来，研究者报道了多种衍射光学器件，包括常周期的光栅结构；基于伪随机编码、m序列编码、barker码的微光学结构；基于hadamard矩阵的微光学结构等等。激光束经过这些衍射光学器件形成了衍射光场，动态变化的衍射光场的叠加能够破坏激光的相干性，并进而起到抑制激光散斑的作用。为了形成动态变化的衍射光场的叠加，需要对衍射光学器件进行震动、线性位移、旋转运动等机械运动方式。然而这样的运动方式不仅机械部件和运行机构复杂、庞大，而且对激光投影显示仪器有冲击损害。另外，由于需要往复运动使得无法保证衍射光学器件处于匀速运动状态，因此散斑抑制效果也不够理想。上述已有技术中与本发明最接近的衍射光学器件及其实现系统，比如在《hadamardspecklecontrastreduction》(2004，opt.lett.29,11-13)一文中jahjai.trisnadi第一次采用了基于hadamard矩阵结构的衍射光学器件并给出了实现方式；在《fullspecklesuppressioninlaserprojectorsusingtwobarkercode-typediffractiveopticalelements》(2013，j.opt.soc.am.a30,22-31)一文中，lapchuk等人采用两个基于barker码结构的衍射光学器件并使其在垂直于光轴的平面，沿与水平面呈一定角度的方向运动，对全波段(既包括红、绿、蓝)激光进行了散斑抑制实验；乐孜纯、熊启源、董文和付明磊在中国发明专利《一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法》(cn106896520a)中提出使用运动的二元光学衍射元件来抑制激光散斑。

然而上述基于运动的衍射光学器件的现有技术方法，均存在缺陷。或是散斑抑制程度不够；或是不能进行全波段散斑抑制；或是结构设计的难度太大，系统容错性、鲁棒性、通用性很差，不能满足实际应用需求；或是需要往复式机械运动，对激光投影显示仪器机械冲击大、稳定性不好、结构复杂庞大、能耗高、功效低，并需在运动过程中改变速度导致散斑抑制效果不佳等等。

技术实现要素：

为了克服已有技术散斑抑制效果不够好、不能进行全波段散斑抑制、系统采用器件个数和种类多、运动部件复杂并对仪器有冲击损害、尺寸大、仪器结构复杂、能耗高、功效低等缺点，本发明提供一种全波段散斑抑制效果好、运动方式简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉的柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统，采用柔性材料制作、通过变角度阵列衍射结构、构建可以无限匀速循环的履带式运动方式、用一套系统实现红、绿、蓝全波段激光散斑抑制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统，包括机械模块、电学控制模块和光学模块，所述光学模块包括激光器、校准透镜、光阑、柔性变角度阵列衍射光学器件、成像透镜、投影屏幕和ccd相机和计算机处理系统，所述激光器可以是可见光范围内的任意波长的单色激光器，所述激光器、校准透镜、光阑、柔性变角度阵列衍射光学器件和成像透镜位于同一光轴上；所述机械模块包括履带式传送装置；所述电学控制模块包括用于带动履带式传送装置转动进而带动柔性变角度阵列衍射光学器件实现履带式运动的驱动电机。

进一步，所述机械模块包括机架、两根旋转立柱和弹簧，一根旋转立柱可左右平移且可旋转地套装在机架的一侧，所述弹簧一端与所述一根旋转立柱连接，所述弹簧的另一端固定在机架上；另一根旋转立柱可旋转地套装在机架的另一侧，所述另一根旋转立柱与驱动电机的输出轴传动连接，所述柔性变角度阵列衍射光学器件绕在所述两根旋转立柱上，所述弹簧的拉力使得柔性变角度阵列衍射光学器件始终处于拉伸状态。

再进一步，所述驱动电机的输出轴上安装主动齿轮，所述另一根旋转立柱的外端安装被动齿轮，所述主动齿轮与所述被动齿轮啮合。当然，也可以是另外的传动方式。

所述驱动电机为步进电机。

所述光学模块可以但不限于包括红光激光器及其校准透镜、绿光激光器及其校准透镜、蓝光激光器及其校准透镜、透过红光反射绿光蓝光的分光片、透过红光绿光反射蓝光的分光片；所述红光激光器及其校准透镜、透过红光反射绿光蓝光的分光片、透过红光绿光反射蓝光的分光片、光阑、所述性变角度阵列衍射光学器件和成像透镜位于同一光轴上，且为主光轴，所述绿光激光器及其校准透镜、蓝光激光器及其校准透镜的光轴与主光轴垂直，所述绿光激光器发出的绿色激光通过透过红光反射绿光蓝光的分光片进入主光路，所述蓝光激光器发出的蓝色激光通过透过红光绿光反射蓝光的分光片进入主光路。

所述柔性变角度阵列衍射光学器件制作在柔性材料上，由n组一维二元衍射光学结构首尾连接而成，所述一维二元衍射光学结构包括光栅结构和光学微结构，所述一维是指衍射光学结构为一维图案，所述二元是指因衍射光学结构深度所形成的光程差是二值化的。

所述一维二元衍射光学结构图案由参数t表示，所述参数t为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用t的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用t0表示；所述一维二元衍射光学结构的深度为h，所述一维二元衍射光学结构与x轴所夹倾角为θ0。

所述光学微结构为基于伪随机序列的光学微结构、基于m序列的光学微结构或基于barker码的光学微结构。

所述n是正整数，表示柔性变角度阵列衍射光学器件中所包含的阵列个数，n＝1,2,3…∞，当n＝1时，所述用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件为单个衍射光学器件，即衍射光学器件单元，每一个衍射光学器件单元中包括m个周期的结构参数相同的一维二元衍射光学结构图案；当n≧2时，所述用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件为包含n个阵列的衍射光学器件；所述阵列中的n个衍射光学器件单元一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的n个衍射光学器件单元内部的一维二元衍射光学结构图案相同或不相同，所述n组一维二元衍射光学结构首尾连接，沿着y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第n组衍射光学结构的尾相连。

阵列中的n个衍射光学器件单元与x轴所夹倾角不同，表示为θ±i，其中θ±i＝θ0±(n-1)2·δθ±i·δθ，δθ表示相邻衍射光学器件单元与x轴所夹倾角的变化幅度。

二元衍射光学结构的深度h与柔性材料的折射率有关，其范围在350nm至650nm。

所述柔性材料是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的、柔软可弯折的材料，所述柔性材料包括热塑性塑料或光刻胶材料。

所述热塑性塑料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚氯乙烯pvc或聚碳酸酯pc。

所述光刻胶材料包括聚二甲基硅氧烷pdms或光敏聚酰亚胺光刻胶pspi。

本发明的技术构思是：通过在单片柔性材料上制作变角度阵列衍射光学器件，利用运动的衍射光学微结构来改变激光光束的相位分布，破坏激光的空间相干性，从而达到抑制散斑的效果。

进一步地，利用柔性材料的弯折，使得n组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加，形成基于双面一维衍射光学微结构的二维光学编码；利用连续的履带式运动使得叠加的光学结构动态变化，以达到全波段激光散斑抑制的效果并提高激光散斑抑制率。

更进一步，由于履带式传送是周而复始的，有效避免了往复式机械运动过程中运动速度的变化，减小了机械运动冲击造成的系统损伤和运动速度变化造成的干扰噪声。

再进一步地，通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。

本发明的有益效果主要表现在：(1)采用柔性材料，使得履带式连续运动成为可能。(2)单片材料上制作多组衍射光学微结构，尺寸小、效率高。(3)利用柔性材料的弯折和履带式连续运动，使得n组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加和动态变化，理论上可实现全波段激光散斑抑制。(4)通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。(5)采用履带式运动代替往复式机械运动，拥有更稳定的散斑抑制效果和更小的噪声干扰，也使得整个结构更加稳定。(6)整个散斑抑制系统包括了红、绿、蓝三色激光光源，硬件上实现全波段激光散斑抑制，且系统结构简单紧凑、稳定、通用性好、功效高、能耗低。

附图说明

图1是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件中衍射器件单元的示意图(光学微结构以m序列为例)。

图2是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的阵列排布示意图。

图3是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其实现系统示意图，其中，1是红光激光器及其校准透镜；2是绿光激光器及其校准透镜；3是蓝光激光器及其校准透镜；4是透过红光反射绿光蓝光的分光片；5是透过红光绿光反射蓝光的分光片；6是光阑；7是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其履带式传动装置；8是成像透镜；9是投影屏幕；10是ccd相机及其计算机处理系统。

图4是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其履带式传动装置以及传动方式示意图，其中，1是激光照射在本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上的位置；2是两个实现履带式运动的旋转立柱；3是连接步进电机的齿轮；4是为本发明柔性变角度阵列衍射光学器件提供拉力的两个弹簧；5是控制本发明柔性变角度阵列衍射光学器件进行履带式运动的电学控制模块；6表示第二根旋转立柱与弹簧固定，使本发明柔性变角度阵列衍射光学器件一直处于拉伸状态。

图5是本发明利用一维方向运动，实现二维位移效果的技术原理图。

图6是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其实现系统对红色激光进行散斑抑制的结果图，图6(a)散斑抑制前的光场分布，图6(b)散斑抑制后的光场分布。

图7是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其实现系统对绿色激光进行散斑抑制的结果图，图7(a)散斑抑制前的光场分布，图7(b)散斑抑制后的光场分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统，包括机械模块、电学控制模块和光学模块，所述光学模块包括激光器、校准透镜、光阑、柔性变角度阵列衍射光学器件、成像透镜、投影屏幕和ccd相机和计算机处理系统，所述激光器可以是可见光范围内的任意波长的单色激光器，所述激光器、校准透镜、光阑、柔性变角度阵列衍射光学器件和成像透镜位于同一光轴上；所述机械模块包括履带式传送装置；所述电学控制模块包括用于带动履带式传送装置转动进而带动柔性变角度阵列衍射光学器件实现履带式运动的驱动电机。

进一步，所述机械模块包括机架、两根旋转立柱和弹簧，一根旋转立柱可左右平移且可旋转地套装在机架的一侧，所述弹簧一端与所述一根旋转立柱连接，所述弹簧的另一端固定在机架上；另一根旋转立柱可旋转地套装在机架的另一侧，所述另一根旋转立柱与驱动电机的输出轴传动连接，所述柔性变角度阵列衍射光学器件绕在所述两根旋转立柱上，所述弹簧的拉力使得柔性变角度阵列衍射光学器件始终处于拉伸状态。

再进一步，所述驱动电机的输出轴上安装主动齿轮，所述另一根旋转立柱的外端安装被动齿轮，所述主动齿轮与所述被动齿轮啮合。当然，也可以是另外的传动方式。

所述驱动电机为步进电机。

所述两根立柱的直径为4毫米；所述两根弹簧安装在一根旋转立柱上，所述电学控制模块，包括步进电机和驱动步进电机的控制器，所述控制器由事先编写的控制程序控制，主要控制参数为启动履带式传动、停止履带式传动以及履带式传动速度，所述履带式传动速度为100rpm/min。

所述光学模块可以但不限于包括红光激光器及其校准透镜、绿光激光器及其校准透镜、蓝光激光器及其校准透镜、透过红光反射绿光蓝光的分光片、透过红光绿光反射蓝光的分光片、光阑、所述柔性变角度阵列衍射光学器件、成像透镜、投影屏幕、ccd相机及其计算机处理系统。所述红光激光器及其校准透镜、透过红光反射绿光蓝光的分光片、透过红光绿光反射蓝光的分光片、光阑、所述柔性变角度阵列衍射光学器件和成像透镜位于同一光轴上，且为主光轴，所述绿光激光器及其校准透镜、蓝光激光器及其校准透镜的光轴与主光轴垂直；所述绿光激光器发出的绿色激光通过透过红光反射绿光蓝光的分光片进入主光路，所述蓝光激光器发出的蓝色激光通过透过红光绿光反射蓝光的分光片进入主光路。

当只打开红色激光器时，红色激光束通过透过红光反射绿光蓝光的分光片、透过红光绿光反射蓝光的分光片、光阑，正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上，电学模块中的控制器驱动步进电机，步进电机带动机械模块中的履带式传送装置进行履带式运动，所述柔性变角度阵列衍射光学器件前后两层上的不同衍射光学微结构动态叠加，对红色激光束进行调制。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述ccd相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。

当只打开绿色激光器时，绿色激光束被透过红光反射绿光蓝光的分光片反射进入主光路，再通过透过红光绿光反射蓝光的分光片、光阑，正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上，电学模块中的控制器驱动步进电机，步进电机带动机械模块中的履带式传送装置进行履带式运动，所述柔性变角度阵列衍射光学器件前后两层上的不同衍射光学微结构动态叠加，对绿色激光束进行调制。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述ccd相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。

当只打开蓝色激光器时，蓝色激光束被透过红光绿光反射蓝光的分光片反射进入主光路，再通过光阑，正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上，电学模块中的控制器驱动步进电机，步进电机带动机械模块中的履带式传送装置进行履带式运动，所述柔性变角度阵列衍射光学器件前后两层上的不同衍射光学微结构动态叠加，对蓝色激光束进行调制。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述ccd相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。

当同时打开红色和绿色激光器时，红色激光束通过透过红光反射绿光蓝光的分光片，与被透过红光反射绿光蓝光的分光片反射进入主光路的绿色激光束混合形成黄色光，所述黄光透过红光绿光反射蓝光的分光片、光阑，正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上，电学模块中的控制器驱动步进电机，步进电机带动机械模块中的履带式传送装置进行履带式运动，所述柔性变角度阵列衍射光学器件前后两层上的不同衍射光学微结构动态叠加，对黄光进行调制。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述ccd相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。

当同时打开红色、绿色和蓝色激光器时，红色激光束通过透过红光反射绿光蓝光的分光片，与被透过红光反射绿光蓝光的分光片反射进入主光路的绿色激光束混合形成黄色光，所述黄光透过红光绿光反射蓝光的分光片，与被透过红光绿光反射蓝光的分光片反射进入主光路的蓝色激光束混合形成白光，所述白光再通过光阑，正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上，电学模块中的控制器驱动步进电机，步进电机带动机械模块中的履带式传送装置进行履带式运动，所述柔性变角度阵列衍射光学器件前后两层上的不同衍射光学微结构动态叠加，对白光进行调制。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述ccd相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。

本发明的柔性变角度阵列衍射光学微结构，制作在pdms柔性材料上，由3组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构为基于m序列的光学微结构(参见附图1和附图2)，其一维二元衍射光学结构图案由参数t表示，所述参数t为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用t的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用t0表示。所述一维二元衍射光学结构的深度为h、所述一维二元衍射光学结构与x轴所夹倾角为θ0。

所述t参数为4微米，一维二元衍射光学结构深度h为400纳米，m序列编码为31位编码，即1111100110100100001010111011000。所述3组一维二元衍射光学结构与x轴所夹倾角分别为44.4°、45°、45.6°，采用胶粘剂粘结的方法，沿着y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第3组衍射光学结构的尾相连。

参见附图1、附图3和附图5，所述柔性变角度阵列衍射光学器件沿y轴弯折并首尾相连，形成履带式结构。所述履带式柔性变角度阵列衍射光学器件包括前后两层，每一层包含(n/2)组一维二元衍射光学微结构。当激光束照射到履带式柔性变角度阵列衍射光学器件上时，光束通过了前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构，尽管所述履带式柔性变角度阵列衍射光学器件中的n个一维二元衍射光学微结构均为一维结构，但前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构的叠加，使得原本的一维衍射光学器件变成了二维衍射光学器件。当进行履带式运动时，前后两层柔性变角度阵列衍射光学微结构以相同的运动速度、向相反方向运动，因此本发明柔性变角度阵列衍射光学器件，可以实现红、绿、蓝全波段激光散斑抑制。

再进一步，所述履带式柔性变角度阵列衍射光学器件固定在两根旋转立柱上，所述两根旋转立柱安装在一个基于齿轮传动的履带式传送装置上，所述两根旋转立柱中的一根上连接了两个弹簧，所述弹簧对旋转立柱施加拉力，使履带式柔性变角度阵列衍射光学器件始终处于拉伸状态。所述齿轮安装在旋转立柱的底部并由一个电学控制模块控制。所述电学控制模块，由步进电机驱动齿轮来控制所述柔性变角度阵列衍射光学器件进行连续的履带式运动。

本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统的工作原理如下：

1)散斑对比度sc计算公式：

其中σ是光强分布的标准差，是平均光强分布。大部分散斑抑制方法出发点都是使光强分布平均。

2)本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件由n组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构包括但不限于光栅结构、基于伪随机序列的光学微结构、基于m序列的光学微结构、基于barker码的光学微结构。以基于m序列的光学微结构为例，所述履带式柔性变角度阵列衍射光学器件抑制散斑的原理是：影响激光散斑抑制效果的基本因素有两个：运动过程中的运动方向和运动速度。用x轴方向和y轴方向的线性位移来确定运动方向和运动速度对散斑抑制效果的影响，理论计算公式如下：

其中d是人眼分辨率单元在屏幕上的投影宽度，x1,x2,y1,y2是激光束通过两块沿不同轴运动的二元衍射光学结构投影到屏幕上的坐标，h(x1,x2,y1,y2)和h(x1,x1,y1,y1)是由m序列二元光学衍射元件调制的屏幕平面处的激光束的自相关函数：

其中δt是人眼的曝光时间；v1是二元光学衍射元件图像在屏幕上沿y轴方向的运动速度，v2是沿x轴方向的运动速度；t0是二元光学衍射元件一个周期内的最小单位长度；m是非零整数；t(x,y,v,t)是二元光学衍射元件的透射系数函数。

参见附图6，为本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统，只打开红光激光器时的散斑抑制结果。参见附图7，为本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件的实现系统，只打开绿光激光器时的散斑抑制结果。